DE19853979A1 - Device and method for scanning an object surface with a laser beam, in particular for selective laser melting - Google Patents

Device and method for scanning an object surface with a laser beam, in particular for selective laser melting

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DE19853979A1
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Konrad Wissenbach
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Abstract

The invention relates to a device and a method for scanning the surface of an object with a laser beam, especially for selective laser fusion of metal powder in order to produce a shaped body. The device comprises a plotter mechanism with two linear axes (4, 5) that are used to position and displace a support element above the surface of the object, an optical device that guides the laser beam to the support element or produces it on said element, a scanning device (9) on the support element, whereby said scanning element directs the laser beam (8) onto the surface of the object and moves it backwards and forwards within a predefinable angle range, in addition to a focusing lens (15) that focuses the laser beam (8) onto the surface of the object (11). The plotter mechanism is disposed in such a way that it can position and displace the support element at a distance from the surface of the object, thereby enabling focusing lens (15) to focus the laser beam at a short focal distance onto a diameter of < 200 mu m on the surface (11) of said object. The inventive device combines the advantages provided by a quickly moving focused laser beam using a scanner with those advantages such as the size of the area that can be processed according to the focal distance of the focusing lens by moving the beam using a plotter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abtasten einer Objektfläche mit einem Laserstrahl, insbesondere zum selektiven Laser- Schmelzen von Metallpulver zur Herstellung eines Formkörpers, beispielsweise des Prototyps eines Bauteils.The invention relates to a device and a Method for scanning an object surface with a Laser beam, especially for selective laser Melting metal powder to make a Shaped body, for example the prototype of a Component.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich in erster Linie auf eine Technik, die unter dem Namen Rapid Prototyping bekannt ist. Rapid Prototyping-Verfahren werden in der Produktentwicklung eingesetzt, um die Produktentwicklungszeit zu verkürzen sowie die Produkt­ qualität zu steigern. Dies wird dadurch ermöglicht, daß mittels der Rapid Prototyping-Verfahren Prototypen sehr schnell direkt aus dem 3D CAD Modell hergestellt werden können. Die bisher erforderliche zeitaufwendige Erstellung eines NC-Programms für eine Fräs- oder Erodierbearbeitung oder die Herstellung formgebender Werkzeuge entfällt.The present invention relates first Line on a technique called Rapid Prototyping is known. Rapid prototyping process are used in product development to Shorten product development time as well as product increase quality. This is made possible by the fact that using the rapid prototyping process prototypes very much can be quickly produced directly from the 3D CAD model can. The previously required time consuming Creation of an NC program for a milling or EDM machining or the production of shaping No tools required.

Die Entwicklung neuer bzw. die Weiterentwicklung bestehender Rapid Prototyping-Verfahren hat das Ziel, möglichst seriennahe oder sogar serienidentische Werk­ stoffe verarbeiten zu können. Dies gilt vor allem für metallische Prototypen oder Prototyp-Werkzeuge. Das bekannte Verfahren des selektiven Laser-Schmelzens ermöglicht die Herstellung von Bauteilen aus handels­ üblichen Stählen. Die Bauteile werden, wie bei allen Rapid Prototyping-Verfahren, schichtweise hergestellt. Dazu wird der Werkstoff in Pulverform jeweils als dünne Schicht auf eine Bauplattform aufgebracht. Das Pulver wird lokal, entsprechend der Bauteilgeometrie der zu bearbeitenden Schicht, mit einem Laserstrahl aufge­ schmolzen. Die mit diesem Verfahren hergestellten Bauteile aus Stahl (z. B. aus Edelstahl 1.4404) erreichen bzgl. ihrer Dichte und Festigkeit die ange­ gebenen Werkstoffspezifikationen. Damit können sie als Funktionsprototypen oder direkt als fertiges Bauteil eingesetzt werden.The development of new ones or the further development existing rapid prototyping process aims to as close to series as possible or even series-identical work to be able to process fabrics. This is especially true for metallic prototypes or prototype tools. The known methods of selective laser melting enables the production of components from trade usual steels. The components are, as with all  Rapid prototyping process, produced in layers. For this purpose, the material in powder form is always thin Layer applied to a construction platform. The powder is local, according to the component geometry processing layer, applied with a laser beam melted. The manufactured with this method Steel components (e.g. stainless steel 1.4404) achieve the specified density and strength given material specifications. You can use it as Functional prototypes or directly as a finished component be used.

In der DE 196 49 865 C1 wird hierzu ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein bindemittel- und flußmittel­ freies metallisches Werkstoffpulver auf die Bauplatt­ form aufgebracht und durch den Laserstrahl entsprechend der Bauteilgeometrie auf Schmelztemperatur erhitzt wird. Die Energie des Laserstrahls wird so gewählt, daß das metallische Werkstoffpulver an der Auftreffstelle des Laserstrahls über seine gesamte Schichtdicke vollständig aufgeschmolzen wird. Der Laserstrahl wird bei diesem Verfahren in mehreren Spuren derart über den vorgegebenen Bereich der jeweiligen Werkstoffpulver­ schicht geführt, daß jede folgende Spur des Laser­ strahls die vorherige Spur teilweise überlappt. Gleichzeitig wird eine Schutzgasatmosphäre über der Wechselwirkungszone des Laserstrahls mit dem metallischen Werkstoffpulver aufrechterhalten, um Fehlstellen zu vermeiden, die beispielsweise durch Oxidation hervorgerufen werden können.DE 196 49 865 C1 describes a method for this proposed using a binder and flux free metallic material powder on the building board form applied and by the laser beam accordingly the component geometry is heated to the melting temperature becomes. The energy of the laser beam is chosen so that the metallic material powder at the point of impact of the laser beam over its entire layer thickness is completely melted. The laser beam is in this process in several lanes over the predetermined range of the respective material powder layer that led every subsequent trace of the laser beam partially overlaps the previous track. At the same time, a protective gas atmosphere is created over the Interaction zone of the laser beam with the maintain metallic material powder to To avoid defects caused, for example, by Oxidation can be caused.

Die zur Bauteilkontur gehörende Fläche jeder Schicht wird bei den Verfahren des selektiven Laser - Schmelzens zeilenweise vom fokussierten Laserstrahl abgefahren. Die erreichbare Detailauflösung und die Oberflächenqualität der hergestellten Teile hängen dabei entscheidend vom Durchmesser des fokussierten Laserstrahls ab.The surface of each part belonging to the component contour Layer is used in the selective laser  Melting line by line of the focused laser beam crazy. The achievable detail resolution and the Surface quality of the manufactured parts depend decisive from the diameter of the focused Laser beam.

Zur Bewegung eines fokussierten Laserstrahls auf einer feststehenden Bearbeitungsebene sind bisher zwei grundsätzlich unterschiedliche Techniken bekannt.For moving a focused laser beam a fixed processing level has so far been two fundamentally different techniques known.

Im Zusammenhang mit dem Rapid Prototyping mittels Laser- bzw. Lichtstrahl werden in der Regel optische Scannersysteme eingesetzt. Beim Scannersystem erfolgt die Positionierung und Bewegung des fokussierten Laser­ strahls auf der Bearbeitungsebene für jede Richtung (x- und y- Richtung) durch Verdrehung jeweils eines Spiegels. Die Verwendung einer Scanneroptik bei einem Verfahren zum Laserstrahl-Sintern ist beispielsweise in der Veröffentlichung von Heinz Haferkamp et al., Laser­ strahl-Sintern zur Herstellung von Blechformwerkzeugen, in der Zeitschrift "BLECH ROHRE PROFILE", 43 (1996) 6, Seiten 317 bis 319, schematisch dargestellt.In connection with rapid prototyping using Laser or light beams are usually optical Scanner systems used. With the scanner system the positioning and movement of the focused laser on the working plane for each direction (x- and y direction) by rotating one each Mirror. The use of scanner optics at a Process for laser beam sintering is for example in the publication by Heinz Haferkamp et al., Laser beam sintering for the production of sheet metal tools, in the journal "BLECH ROHRE PROFILE", 43 (1996) 6, Pages 317 to 319, shown schematically.

Der Nachteil des Scannersystems liegt jedoch darin, daß bei einem vorgegebenen maximalen Drehwinkel der Spiegel die Größe der bearbeitbaren Fläche von der Brennweite der Fokussieroptik abhängt. Eine Vergröße­ rung der bearbeitbaren Fläche kann nur durch eine längere Brennweite erreicht werden. Mit der Vergröße­ rung der Brennweite vergrößert sich jedoch bei sonst gleichen optischen Elementen auch der Fokusdurchmesser des Laserstrahls. Die erreichbare Detailauflösung und die Oberflächenqualität der hergestellten Teile werden damit reduziert. The disadvantage of the scanner system lies however in that at a predetermined maximum angle of rotation the mirror the size of the workable area of the Focal length depends on the focusing optics. A magnification The workable area can only be changed by a longer focal length can be achieved. With the enlargement focal length increases with otherwise the same optical elements also the focus diameter of the laser beam. The achievable detail resolution and the surface quality of the manufactured parts thereby reduced.  

Aus anderen Bereichen der Materialbearbeitung mit Lasern ist auch der Einsatz von Plottersystemen be­ kannt. Beim Plottersystem wird der Laserstrahl entlang zweier Linearachsen geführt. Durch geeignete Bewegung der Achsen kann der Laserstrahl jede beliebige Bahn auf der Bearbeitungsebene beschreiben.From other areas of material processing with Lasering is also the use of plotter systems knows. In the plotter system, the laser beam is moved along guided by two linear axes. By suitable movement The laser beam can move along any axis along the axes describe the working plane.

Die Verwendung eines Plottersystems hat den Vor­ teil, daß die Größe der bearbeitbaren Fläche nur durch die Länge der verwendeten Linearachsen begrenzt ist. Außerdem kann auf einfache Weise eine Schutzgasdüse durch Kopplung an die Linearachsen gleichzeitig mit dem Laserstrahl mitbewegt werden.The use of a plotter system has the intention part that the size of the editable area only by the length of the linear axes used is limited. In addition, a protective gas nozzle can be easily by coupling to the linear axes simultaneously with the Laser beam can be moved.

Der Nachteil des Plottersystems liegt jedoch darin, daß sich aufgrund der Mechanik mit einem Plottersystem im Vergleich zum Scannersystem nur wesentlich geringere Bearbeitungsgeschwindigkeiten realisieren lassen. Insbesondere die für das selektive Laser-Schmelzen bevorzugten Bearbeitungsgeschwindig­ keiten von < 200 mm/s lassen sich mit einem Plotter­ system nicht mit ausreichender Genauigkeit realisieren.The disadvantage of the plotter system is, however in that due to the mechanics with a Plotting system compared to the scanner system only significantly lower processing speeds let it be realized. Especially those for the selective Laser melting preferred machining speed speeds of <200 mm / s can be achieved with a plotter not implement the system with sufficient accuracy.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abtasten einer Objektfläche mit einem Laserstrahl, insbesondere zum selektiven Laser-Schmelzen, anzugeben, die eine ausreichend große Bearbeitungsfläche und Bearbeitungs­ geschwindigkeit bei einem geringen Durchmesser des fokussierten Laserstrahls ermöglichen.The object of the present invention is therein an apparatus and method for scanning an object surface with a laser beam, in particular for selective laser melting, specify the one sufficiently large machining area and machining speed with a small diameter of the enable focused laser beam.

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 und dem Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfah­ rens sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved with the device according to claim 1 and the method according to claim 10 solved. Advantage  adhesive configurations of the device and the process rens are the subject of the subclaims.

Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, daß beim selektiven Laser-Schmelzen oder Laser-Sintern der Durchmesser des Laserstrahls beim Auftreffen auf die Bearbeitungsfläche kleiner als die Breite der zu schmelzenden Fläche bzw. Struktur ist. Hierdurch ist es erforderlich, den Laser auf mehreren nebeneinander­ liegenden Spuren zu führen, um die gesamte zu schmel­ zende Fläche abzudecken. Erfindungsgemäß wurde dabei erkannt, daß durch geeignete Aufteilung dieser Fläche bzw. der Laserspuren auf der Fläche zwei unterschied­ lich schnelle Systeme für die Führung des Laserstrahls eingesetzt werden können. Während der Laserstrahl zum Abtasten von kleinen Teilflächen mittels einer Scanner­ optik, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, mit hoher Geschwindigkeit hin und herbewegt werden kann, wird die gesamte Scanneroptik mit Hilfe zweier Linearachsen über der Bearbeitungsfläche weiter bewegt, um auf diese Weise die weiteren Teilflächen zu erreichen. Für diese Linearbewegung, die größtenteils quer zur Abtastrichtung der Scanneroptik erfolgt, ist nur eine geringere Geschwindigkeit erforderlich. Die Abtastbewegung der Scanneroptik selbst muß jeweils nur einen kleinen Bereich abdecken, so daß dafür eine Fokussieroptik mit kurzer Brennweite eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht somit ein Plottersystem mit zwei voneinander unabhängigen Linear­ achsen bzw. -antrieben vor, auf dem zusätzlich eine Scanneroptik angebracht ist. According to the invention is exploited in that selective laser melting or laser sintering the Diameter of the laser beam when it hits the Machining area smaller than the width of the melting surface or structure. This is it required the laser on several side by side lead tracks to melt the whole covered area. According to the invention recognized that by appropriate division of this area or the laser tracks on the surface two difference Fast systems for guiding the laser beam can be used. During the laser beam to Scanning of small areas using a scanner optics as known from the prior art, be moved back and forth at high speed can, the entire scanner optics with the help of two Linear axes moved further over the machining surface, in order to close the other partial areas in this way to reach. For this linear motion, for the most part transversely to the scanning direction of the scanner optics, is only a lower speed is required. The Scanning movement of the scanner optics itself only has to cover a small area so that one Focusing optics with a short focal length can be used can. The device according to the invention thus sees Plotter system with two independent linear axes or drives in front, on which an additional Scanner optics is attached.  

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vereint damit die Vorteile der schnellen Bewegung eines fokussierten Laserstrahls mittels eines Scanners mit den Vorteilen der von der Brennweite der Fokussieroptik unabhängigen Größe des Bearbeitungsfeldes durch die Bewegung des Strahls mittels eines Plotters. Weiterhin wird durch diese Vorrichtung auf einfache Weise die Mitführung einer Schutzgasdüse ermöglicht. Der Laserstrahl kann mit einer kurzbrennweitigen Optik auf einen Durchmesser von < 200 µm fokussiert werden und gleichzeitig kann eine beliebig große Fläche mit Geschwindigkeiten von < 200 mm/s damit bearbeitet werden.The device according to the invention thus combines the Advantages of the fast movement of a focused one Laser beam using a scanner with the advantages the one that is independent of the focal length of the focusing optics Size of the processing field by the movement of the Beam by means of a plotter. Furthermore, by this device is easy to carry an inert gas nozzle. The laser beam can with a short focal length optic on a diameter of <200 µm and can be focused at the same time an arbitrarily large area with speeds of <200 mm / s can be processed with it.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die zu bearbeitende Fläche in vorzugsweise streifenförmige Teilflächen (Streifen) unterteilt. Die Bearbeitung der gesamten Fläche erfolgt, indem nacheinander die einzel­ nen Streifen bearbeitet werden. Die einzelnen Streifen werden bearbeitet, indem die Fläche innerhalb eines Streifens spurweise mit dem Laserstrahl abgefahren wird. Dabei wird eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls innerhalb einer Spur benötigt. Die Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl von Spur zu Spur versetzt wird, ist demgegenüber geringer.In the method according to the invention, the working area in preferably strip-shaped Sub-areas (strips) divided. Editing the the entire area is made up by the individual a strip can be edited. The individual strips are edited by the area within a Strip traced with the laser beam becomes. A high movement speed of the Laser beam needed within a track. The Speed at which the laser beam traces from track to track In contrast, track is less.

Zur Bewegung des Laserstrahls wird ein Scanner auf einen Plotter montiert. Die schnelle Bewegung des Laserstrahls innerhalb einer Spur wird vom Scanner ausgeführt. Die Bewegung des Laserstrahls von Spur zu Spur und von Streifen zu Streifen wird vom Plotter ausgeführt, indem mit dem Plotter der gesamte Scanner weiter bewegt wird.A scanner is opened to move the laser beam mounted a plotter. The fast movement of the Laser beam within a track is scanned by the scanner executed. The movement of the laser beam from track to track Track and from stripe to stripe is from the plotter performed by using the plotter the entire scanner is moved further.

Da mit dieser Anordnung die Auslenkung des Laser­ strahls durch den Scanner nur innerhalb des jeweiligen Streifens erfolgt, entspricht die maximale Auslenkung des Laserstrahls durch den Scanner der Streifenbreite. Wird die Streifenbreite klein gewählt (z. B. < 5 mm), so kann die Laserstrahlung mit einer kurzbrennweitigen Fokussieroptik (z. B. f < 100 mm) auf einen entsprechend kleinen Durchmesser (z. B. < 200 µm) fokussiert werden. Durch geeignete Wahl der Streifenbreite und der Fokus­ sieroptik können auch Fokusdurchmesser des Laserstrahls von 10 µm in der Bearbeitungsebene erreicht werden.Because with this arrangement the deflection of the laser beam through the scanner only within the respective  Strip takes place, corresponds to the maximum deflection of the laser beam through the scanner of the stripe width. If the strip width is chosen to be small (e.g. <5 mm), so can the laser radiation with a short focal length Focusing optics (e.g. f <100 mm) on one accordingly small diameter (e.g. <200 µm). By choosing the right stripe width and focus Sieroptik can also focus diameter of the laser beam of 10 µm can be achieved in the working plane.

Durch Montage einer Schutzgasdüse auf dem Plotter wird diese mit der Plotterbewegung mitgeführt. Da die Düse jedoch nur mit dem Plotter mitbewegt wird, aber nicht der Bewegung des Laserstrahls durch den Scanner folgt, wird die Breite der Düsenöffnung größer oder gleich der Streifenbreite gewählt. Damit ist gewähr­ leistet, daß in der Wechselwirkungszone des Laser­ strahls ständig eine Schutzgasströmung vorhanden ist.By mounting a protective gas nozzle on the plotter this is carried along with the plotter movement. Since the However, the nozzle is only moved with the plotter, however not the movement of the laser beam through the scanner follows, the width of the nozzle opening becomes larger or chosen equal to the strip width. This is guaranteed does that in the interaction zone of the laser a protective gas flow is constantly present.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals erläutert. Hierbei zeigenThe invention is based on a Embodiment in conjunction with the drawings explained again. Show here

Fig. 1 ein Beispiel für eine Zerlegung einer zu bearbeitenden Fläche in Teilflächen; Figure 1 is an example of a decomposition of a surface to be machined in partial areas.

Fig. 2 schematisch ein Beispiel der erfindungsgemaßen Vorrichtung in Aufsicht; und Fig. 2 schematically shows an example of the device according to the invention in supervision; and

Fig. 3 das Beispiel aus Fig. 2 in Seitenansicht. Fig. 3 shows the example of Fig. 2 in side view.

Im oberen Teil der Fig. 1 ist eine zu bearbeiten­ de Gesamtfläche 1 eines Bauteils dargestellt, die mit dem Laserstrahl abgetastet werden soll. Die zu bear­ beitende Fläche 1 wird in streifenförmige Teilflächen 2 unterteilt, wie im unteren Teil der Figur vereinfacht mit nur 2 Teilflächen dargestellt ist. Eine geeignete Aufteilung in Teilflächen kann mit Hilfe einer Daten­ verarbeitungsanlage durchgeführt werden, mit der die Vorrichtung betrieben werden kann. Die Bearbeitung der gesamten Fläche erfolgt, indem nacheinander die einzelnen Teilflächen bearbeitet werden. Hierzu wird jede Teilfläche spurweise mit dem Laserstrahl abge­ fahren. Die Pfeile 1, 2 . . ., n zeigen die einzelnen Spuren 3 und deren Abtastrichtung für die Bearbeitung der ersten Teilfläche in der Figur. Diese spurweise Abtastung wird mit Hilfe der Scanneroptik durchgeführt, so daß die für das Laser-Schmelzen erforderliche hohe Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls innerhalb jeder Spur 3 eingehalten wird. Die Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl von Spur zu Spur versetzt wird, ist demgegenüber geringer. Diese Bewegung wird über die Plottermechanik erzeugt, an der die Scanneroptik befes­ tigt ist. Der Plotter sorgt auch für die Bewegung des Laserstrahls von Teilfläche zu Teilfläche, d. h. in der Figur vom Ende der Spur n der ersten Teilfläche zum Anfang der Spur n+1 der nächsten Teilfläche. Der Abstand Δys der Spuren wird hierbei vorzugsweise so eingestellt, daß diese unter Berücksichtigung des Durchmessers des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene teilweise überlappen.In the upper part of FIG. 1, a total area 1 of a component to be processed is shown, which is to be scanned with the laser beam. The area to be processed 1 is divided into strip-shaped partial areas 2 , as is shown in the lower part of the figure in simplified form with only two partial areas. A suitable division into partial areas can be carried out with the aid of a data processing system with which the device can be operated. The entire surface is processed by processing the individual partial surfaces in succession. For this purpose, each sub-area is traced with the laser beam. Arrows 1 , 2 . . ., n show the individual tracks 3 and their scanning direction for processing the first partial area in the figure. This lane-by-lane scanning is carried out with the aid of the scanner optics, so that the high movement speed of the laser beam required for the laser melting within each lane 3 is maintained. In contrast, the speed at which the laser beam is displaced from track to track is lower. This movement is generated by the plotter mechanics to which the scanner optics are attached. The plotter also ensures the movement of the laser beam from partial area to partial area, ie in the figure from the end of track n of the first partial area to the beginning of track n + 1 of the next partial area. The distance Δy s of the tracks is preferably set so that they partially overlap in the processing plane, taking into account the diameter of the laser beam.

Die Breite der einzelnen streifenförmigen Teil­ flächen wird so gewählt, daß während der Abtastung ein ausreichend kleiner Fokusdurchmesser des Laserstrahls über der gesamten Breite jeder Teilfläche aufrecht erhalten wird. Dies muß selbstverständlich unter Berücksichtigung der eingesetzten Fokussieroptik erfolgen. The width of each strip-shaped part Areas are chosen so that a during scanning sufficiently small focus diameter of the laser beam upright across the width of each patch is obtained. Of course, this must be done under Consideration of the focusing optics used respectively.  

Fig. 2 zeigt schematisch ein Beispiel der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung in Aufsicht. Die Vorrichtung umfaßt zwei Linearachsen 4 (x-Achse) und 5 (y-Achse) einer Plottermechanik. Die Linearachse 5 ist hierbei in Pfeilrichtung (Pfeil 6) entlang der Linearachse 4 ver­ schiebbar. Im Bereich des Kreuzungspunktes der beiden Achsen ist an der Linearachse 5 ein Umlenkspiegel 7 befestigt, der einen entlang der Linearachse 4 ein­ fallenden Laserstrahl 8 auf ein auf der Linearachse 5 angeordnetes Trägerelement mit einem Scannersystem 9 lenkt. Das Trägerelement mit dem Scannersystem ist entlang der y-Achse 5 in Pfeilrichtung (Pfeil 10) ver­ schiebbar. Das Scannersystem kann beispielsweise über einen Galvanometer-Antrieb verfügen. In der Figur ist ebenfalls die Bearbeitungsfläche 11 gezeigt, die in einzelne Teilflächen 12 aufgeteilt ist. Durch entsprechende Verschiebung der Linearachse 5 entlang der Linearachse 4 und des Trägerelementes entlang der Linearachse 5 kann mit dem Trägerelement jede Position der Bearbeitungsfläche erreicht werden. Fig. 2 shows schematically an example of the inventive device in supervision. The device comprises two linear axes 4 (x-axis) and 5 (y-axis) of a plotter mechanism. The linear axis 5 is ver in the arrow direction (arrow 6 ) along the linear axis 4 . In the area of the crossing point of the two axes, a deflecting mirror 7 is attached to the actuator 5, which covered a laser beam 8 with a scanner directs a system 9 along the linear axis 4 on a valve disposed on the linear axis 5 carrier element. The carrier element with the scanner system is ver along the y-axis 5 in the arrow direction (arrow 10 ). The scanner system can have a galvanometer drive, for example. In the figure, the processing surface 11 is also shown, which is divided into individual sub-areas 12 . By a corresponding displacement of the linear axis 5 along the linear axis 4 and the carrier element along the linear axis 5 , any position of the machining surface can be achieved with the carrier element.

Eine Seitenansicht dieser beispielhaften Vor­ richtung ist in Fig. 3 gezeigt. Hierbei wurden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Elemente wie in Fig. 2 gewählt. In der Figur ist ein drehbarer Umlenk­ spiegel 13 des Scannersystems zu erkennen, der den vom Umlenkspiegel 7 einfallenden Laserstrahl 8 auf die Bearbeitungsfläche 11 richtet. Der durch Drehung des Spiegels 13 erreichbare Winkelbereich der Ablenkung des Laserstrahls ist schematisch durch drei angedeutete Strahlverläufe dargestellt. In den meisten Anwendungs­ fällen liegt dieser Winkelbereich zwischen 1° und 15° für den gesamten Scanbereich. Durch diesen Winkel­ bereich wird eine Abtastbreite auf der Bearbeitungs­ fläche verwirklicht, die der Streifenbreite 14 der Teilflächen 12 entspricht.A side view of this exemplary Before direction is shown in Fig. 3. The same reference numerals were chosen for the same elements as in FIG. 2. In the figure, a rotatable deflecting mirror 13 of the scanner system can be seen, which directs the laser beam 8 incident from the deflecting mirror 7 onto the processing surface 11 . The angular range of the deflection of the laser beam that can be achieved by rotating the mirror 13 is schematically represented by three indicated beam profiles. In most applications, this angular range is between 1 ° and 15 ° for the entire scan area. Through this angular range, a scanning width is realized on the processing surface, which corresponds to the stripe width 14 of the sub-areas 12 .

Die Figur zeigt auch die Fokussierlinse 15 vor dem Scannersystem, mit der der Laserstrahl auf die Bearbei­ tungsfläche fokussiert wird. Selbstverständlich sind auch andere Fokussieroptiken sowohl vor wie auch nach dem Umlenkspiegel 13 möglich.The figure also shows the focusing lens 15 in front of the scanner system, with which the laser beam is focused on the processing surface. Of course, other focusing optics are also possible both before and after the deflecting mirror 13 .

Fig. 3 zeigt weiterhin eine Schutzgasdüse 16, die am Trägerelement befestigt ist. Über diese Schutzgas­ düse wird während der Bearbeitung Schutzgas 17 auf die Wechselwirkungszone geleitet. Im vorliegenden Beispiel ist die Schutzgasdüse so ausgestaltet, daß die Breite ihrer Austrittsöffnung der Breite 14 der Teilflächen 12 entspricht. Damit ist gewährleistet, daß in der Wechselwirkungszone des Laserstrahls ständig eine Schutzgasströmung vorhanden ist. Fig. 3 also shows a protective gas nozzle 16 which is attached to the support member. About this shielding gas nozzle shielding gas 17 is passed to the interaction zone during processing. In the present example, the protective gas nozzle is designed such that the width of its outlet opening corresponds to the width 14 of the partial surfaces 12 . This ensures that a protective gas flow is always present in the interaction zone of the laser beam.

In einer weiteren, nicht dargestellten Aus­ führungsform umfaßt die Scanneroptik neben dem Spiegel 13 noch einen zweiten Umlenkspiegel im Strahlengang des Lasers, der eine Abtastung senkrecht zu der mit dem Spiegel 13 erzeugten Abtastrichtung ermöglicht. Mit einer derartigen Ausführungsform können nach dem Abtasten der Teilflächen einer Bauteilschicht in einer ersten Abtastrichtung, die durch den Umlenkspiegel 13 vorgegeben ist, die nebeneinanderliegenden Bahnen der Teilflächen der nächsten Bauteilschicht durch den Einsatz des zweiten Spiegels senkrecht zu denen der gerade abgetasteten Bauteilschicht gewählt werden. Dies ist für die Festigkeit des Bauteils von Vorteil. In a further embodiment, not shown, the scanner optics comprises, in addition to the mirror 13 , a second deflecting mirror in the beam path of the laser, which enables scanning perpendicular to the scanning direction generated with the mirror 13 . With such an embodiment, after scanning the partial surfaces of a component layer in a first scanning direction, which is predetermined by the deflection mirror 13 , the adjacent paths of the partial surfaces of the next component layer can be selected perpendicular to those of the component layer just scanned by using the second mirror. This is an advantage for the strength of the component.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise eine Bearbeitungsfläche von < 300 × 300 mm2 mit einem Durchmesser des fokussierten Laserstrahls von < 200 µm mit einer Geschwindigkeit von < 200 mm/s bearbeitet werden. Selbstverständlich kann auch mit geringeren Scangeschwindigkeiten von beispielsweise 50 mm/s gearbeitet werden.With the device according to the invention, a processing area of <300 × 300 mm 2 with a diameter of the focused laser beam of <200 μm can advantageously be processed at a speed of <200 mm / s. Of course, you can also work with lower scanning speeds of, for example, 50 mm / s.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann besonders vorteilhaft in Verbindung mit einer Anlage zum selek­ tiven Laser-Schmelzen, wie sie in der DE 196 49 865 C1 beschrieben ist, eingesetzt werden.The device according to the invention can be special advantageous in connection with a system for selek tive laser melting, as in DE 196 49 865 C1 is used.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Abtasten einer Objektfläche mit einem Laserstrahl, insbesondere zum selektiven Laser-Schmelzen, mit
  • - einer Plottermechanik mit zwei Linearachsen (4, 5), über die ein Trägerelement über der Objekt­ fläche (11) positioniert und bewegt werden kann,
  • - einer optischen Einrichtung, die den Laserstrahl (8) zum Trägerelement führt oder am Trägerelement bereitstellt,
  • - einer Abtasteinrichtung (9) am Trägerelement, die den Laserstrahl auf die Objektfläche lenkt und in einem vorgebbaren Winkelbereich hin und her bewegt, und
  • - einer Fokussieroptik (15) zum Fokussieren des Laserstrahls auf die Objektfläche.
1. Device for scanning an object surface with a laser beam, in particular for selective laser melting, with
  • - A plotter mechanism with two linear axes ( 4 , 5 ), by means of which a carrier element can be positioned and moved over the object surface ( 11 ),
  • - an optical device which guides the laser beam ( 8 ) to the carrier element or makes it available on the carrier element,
  • - A scanning device ( 9 ) on the carrier element, which directs the laser beam onto the object surface and moves back and forth in a predetermined angular range, and
  • - A focusing optics ( 15 ) for focusing the laser beam on the object surface.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (9) ein um eine erste Achse drehbares Umlenkelement (13) im Strahlengang des Laserstrahls (8) umfaßt.2. Device according to claim 1, characterized in that the scanning device ( 9 ) comprises a deflection element ( 13 ) rotatable about a first axis in the beam path of the laser beam ( 8 ). 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (9) ein weiteres um eine zweite Achse drehbares Umlenkelement im Strahlen­ gang des Laserstrahls umfaßt, wobei die erste und die zweite Achse senkrecht aufeinander stehen. 3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the scanning device ( 9 ) comprises a further deflecting element rotatable about a second axis in the beam path of the laser beam, the first and second axes being perpendicular to one another. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgebbare Winkelbereich zwischen 1° und 15° liegt.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized, that the predetermined angular range between 1 ° and 15 °. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung eine Lichtleitfaser, umfaßt, die mit einem Ende am Trägerelement fixiert ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized, that the optical device is an optical fiber, includes one end of the support member is fixed. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung zumindest ein Umlenkelement (7) umfaßt, das auf einer der Linearachsen (4, 5) fixiert ist.6. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the optical device comprises at least one deflection element ( 7 ) which is fixed on one of the linear axes ( 4 , 5 ). 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung eine am Trägerelement fixierte Laserstrahlquelle aufweist.7. Device according to one of claims 1 to 4, characterized, that the optical device one on the carrier element Has fixed laser beam source. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Trägerelement eine Gasdüse (16) mit einer Austrittsöffnung vorgesehen ist, über die Schutzgas auf den innerhalb des vorgebbaren Winkelbereichs des Laserstrahls liegenden Bereich der Objektfläche gerichtet werden kann. 8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that on the carrier element, a gas nozzle ( 16 ) is provided with an outlet opening, can be directed via the protective gas to the area of the object surface lying within the predetermined angular range of the laser beam. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung breiter ist als der innerhalb des vorgebbaren Winkelbereichs des Laserstrahls liegende Bereich der Objektfläche.9. The device according to claim 8, characterized, that the outlet opening is wider than that within the predeterminable angular range of the Laser beam lying area of the object surface. 10. Verfahren zum Abtasten einer Objektfläche mit einem Laserstrahl, insbesondere zum selektiven Laser-Schmelzen, bei dem die Objektfläche (1, 11) in einzelne Teilflächen (2, 12) unterteilt wird und die einzelnen Teilflächen in nebeneinanderliegenden Bahnen (3) mit dem Laserstrahl abgetastet werden, wobei die Bewegung des Laserstrahls auf jeder der nebeneinanderliegenden Bahnen mit einer Scanner­ optik (9) und die Bewegung des Laserstrahls von Bahn zu Bahn und von Teilfläche zu Teilfläche von einer Plottermechanik ausgeführt werden, die die Scanneroptik trägt.10. Method for scanning an object area with a laser beam, in particular for selective laser melting, in which the object area ( 1 , 11 ) is divided into individual partial areas ( 2 , 12 ) and the individual partial areas in adjacent paths ( 3 ) with the laser beam are scanned, the movement of the laser beam on each of the adjacent paths being carried out with a scanner optics ( 9 ) and the movement of the laser beam from path to path and from part to part by a plotter mechanism which carries the scanner optics. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Teilflächen (2, 12) schmale Streifen gewählt werden.11. The method according to claim 10, characterized in that narrow strips are selected as partial surfaces ( 2 , 12 ). 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 zum selektiven Laser-Schmelzen, wobei die Objektfläche einer Bauebene eines Bauteils entspricht dadurch gekennzeichnet, daß nach den Abtasten einer Bauebene die neben­ einanderliegenden Bahnen (3) der Teilflächen der nächsten Bauebene senkrecht zu denen der gerade abgetasteten Bauebene gewählt werden.12. The method according to claim 10 or 11 for selective laser melting, wherein the object area corresponds to a construction level of a component, characterized in that after scanning a construction level, the adjacent tracks ( 3 ) of the sub-areas of the next construction level perpendicular to those of the construction level just scanned to get voted.
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